(57)【要約】【課題】0.1〜1.0μｍの粒径の単分散標準粒子を発生させること。【解決手段】所望の粒径を含んで分布した無電荷の粒子をチャンバー１１に導く。チャンバー１１には軟Ｘ線出力が調整できるフォトイオナイザ１６を取付け、チャンバー１１内の粒子に荷電する。このとき単一荷電となるように軟Ｘ線の出力レベルをコントローラ１７によって調整する。次いで荷電した粒子を微分型電気移動度分析器２１に導いて分級することによって、単分散粒子を得ることができる。【選択図】図１
2005230651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバーと、
処理対象となる気中浮遊粒子を含む気体を前記チャンバーに流入させる導入部と、
前記チャンバーに向けて設けられ、使用波長が0.13〜2ｎｍの範囲のＸ線を放射する出力レベルが調整可能なＸ線源と、
前記チャンバーに連結され、前記Ｘ線源によって荷電された気中浮遊粒子を前記チャンバーより排出する排出部と、
前記排出部に連結して設けられ、排出部を通過した荷電粒子をその電気移動度で分級し、所定の電気移動度の粒子を分離する微分型電気移動度分析器と、を有することを特徴とする気中浮遊粒子分級装置。
【請求項２】
前記Ｘ線源は、
軟Ｘ線を発生させる軟Ｘ線フォトイオナイザ荷電器と、
その駆動レベルの電流値及び電圧値を設定するコントローラとを有することを特徴とする請求項１記載の気中浮遊粒子分級装置。
【請求項３】
前記Ｘ線源は、前記チャンバー内で単一荷電粒子濃度（ｎ１）と２重荷電粒子濃度（ｎ２）との比（ｎ２／ｎ１）を５％以下となるように、その出力レベルを制御することを特徴とする請求項１又は２記載の気中浮遊粒子分級装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単一荷電で単分散の標準粒子を発生させるための単分散気中浮遊粒子分級装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
所定の粒径を有し、単一の電子が荷電した単分散単一荷電粒子を発生させることは気中浮遊粒子研究において重要である。又インパクタ、サイクロンやフィルタ等の気中浮遊粒子測定装置の構成においても重要となっている。従来の単分散気中浮遊粒子の発生方法としては、微分型電気移動度分析器（ＤＭＡ）を用いて多分散粒子を等しい移動度の粒子に分級する方法がある。ＤＭＡはおよそ0.1μｍ以下の気中浮遊粒子に対しては良好に機能する。しかしＤＭＡは、粒径と電荷によって定まる電気移動度に基づいて荷電された微粒子を分級しているので、粒径が大きくなると、多重帯電した粒子が、粒径が小さい単一荷電粒子と電気移動度の等しい粒子としてＤＭＡで分級される。そして粒径が大きくなるに従い、多重荷電粒子の割合が多くなって、単分散の粒子のみを分級するためには無視できない量となる。
【０００３】
0.1〜1.0μｍの粒径範囲の気中浮遊粒子は、雲の核形成や、ガスと気中浮遊粒子との反応に関する研究等の気中浮遊粒子の研究に用いられる。従ってＤＭＡを用いてこの範囲の単分散粒子を発生させることは重要である。非特許文献１は抵イオン濃度の条件下で多重帯電粒子の発生を減少させるために、低い放射能（0.09μＣｉ：63Ｎｉ）をイオン放射源としたものである。この文献には一様にメッキが施されたチャンバーから成る荷電器を用いて、抽出する位置を制御することによって単分散で単一荷電の粒子を発生させる装置が提案されている。
【非特許文献１】Gupta, A., and McMurry, P. H. (1989). A Device Generation Singly Charged Particles in the 0.1-1.0 μm Diameter Range. Aerosol Sci. Technol. 10:451-462
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるにこの従来例においては、粒径が変化する毎に荷電時間や気中浮遊粒子の流量をコントロールする必要がある。荷電時間は荷電装置内の気中浮遊粒子の流れの形状や気中浮遊粒子の流量に依存するため、見積もることが難しい。従って0.1〜1.0μｍの全ての粒径範囲に渡って妥当な単分散性を持つ標準粒子を得るために、気中浮遊粒子流量や抽出位置を制御することが難しいという欠点があった。
【０００５】
これに対し荷電粒子のイオン濃度が制御できれば、粒子の帯電状態は夫々の気中浮遊粒子の条件、即ち導入する気中浮遊粒子の粒径や濃度が変化しても気中浮遊粒子流量を変更することなく、ほとんどが単一荷電粒子となるように容易に調整することができると考えられる。
【０００６】
本発明はこのような点に着目してなされたものであって、流量や抽出位置の変更なく単一荷電粒子が得られる単分散気中浮遊粒子の分級装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の請求項１の発明は、チャンバーと、処理対象となる気中浮遊粒子を含む気体を前記チャンバーに流入させる導入部と、前記チャンバーに向けて設けられ、使用波長が0.13〜2ｎｍの範囲のＸ線を放射する出力レベルが調整可能なＸ線源と、前記チャンバーに連結され、前記Ｘ線源によって荷電された気中浮遊粒子を前記チャンバーより排出する排出部と、前記排出部に連結して設けられ、排出部を通過した荷電粒子をその電気移動度で分級し、所定の電気移動度の粒子を分離する微分型電気移動度分析器と、を有することを特徴とするものである。
【０００８】
本願の請求項２の発明は、請求項１の気中浮遊粒子分級装置において、前記Ｘ線源は、軟Ｘ線を発生させる軟Ｘ線フォトイオナイザ荷電器と、その駆動レベルの電流値及び電圧値を設定するコントローラとを有することを特徴とする。
【０００９】
本願の請求項３の発明は、請求項１又は２の気中浮遊粒子分級装置において、前記Ｘ線源は、前記チャンバー内で単一荷電粒子濃度（ｎ１）と２重荷電粒子濃度（ｎ２）との比（ｎ２／ｎ１）を５％以下となるように、その出力レベルを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
このような特徴を有する本発明によれば、Ｘ線源の出力レベルを調整することによって微分型電気移動度分析器での分級により単分散で単一荷電の気中浮遊粒子、特に多重荷電の粒子濃度を低減させた気中浮遊粒子を分級することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明はＸ線出力が調整できる軟Ｘ線フォトイオナイザ装置を低放射能の放射線荷電装置に代わって用いることによって、単一荷電で単分散気中浮遊粒子を発生させるようにしたものである。
【００１２】
まず図１に示すように軟Ｘ線荷電装置を取付けた分級装置について説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態による単分散気中浮遊粒子分級装置の全体構成を示す図である。本図においてチャンバー１１は側壁が円筒形のＰＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）で形成されており、上部及び下部にはステンレス製の電極１１ａ，１１ｂが設けられて容器が形成される。この下方の電極１１ｂには直流電圧源１２が接続され、上部の電極１１ａは電流計１３を介して接地されている。チャンバー１１の左方側壁には無電荷の気中浮遊粒子を導くための導入ダクト１４、右方側壁には排出ダクト１５が夫々導入部、排出部として設けられている。このチャンバー１１の内径ｄは例えば60mmφ、内部の高さｈ１は90mmとし、導入ダクト１４と排出ダクト１５が取付けられる位置ｈ２を底面より70mmの位置とする。そして底面から45mmの位置ｈ３に図示のように、フォトイオナイザ１６を設ける。フォトイオナイザ１６は例えば0.13〜2nm、好ましくは0.2〜２nmの軟Ｘ線を発生させる荷電装置であって、その出力を調整するための電流値及び電圧が設定できるコントローラ１７が接続されている。コントローラ１７は電流値として２００．０μＡ以下の値、電圧値として１０．０ＫＶ以下の値を選択することができ、２００．０μＡ、１０．０ＫＶのときに最大出力となる。
【００１３】
さてこのチャンバーの排出ダクト１５には荷電された粒子を分級するための分級装置である微分型電気移動度分析器（ＤＭＡ）２１が接続される。ＤＭＡ２１は側壁と中央の円筒電極間に電圧が印加され、側壁より導入される多分散の荷電された気中浮遊粒子を電気移動度に基づいて分級し、所定の電気移動度を有する粒子のみを分級するものである。図１（ｂ）はＤＭＡ２１の構造を示す概略図である。本図に示すように円筒形のシリンダ２２の中央部分に同軸に円筒型の中心電極２３が設けられ、それと同軸にシリンダ２２より少し径の小さいメッシュ２４が設けられる。このメッシュ２４の内側にはクリーンエアＦ１が導入される。そしてシリンダ２２の周辺部分に前述した排出ダクト１５からの気中浮遊粒子Ｆ２が導かれる。中心電極２３の下端には、その下面に向けた開口を有し、そのギャップを介して排出ダクト２５が設けられる。又シリンダ２２の下方には排出ダクト２５で吸引されなかった気中浮遊粒子等を外部に排出する第２の排出ダクト２６が設けられている。又シリンダ２２の壁面と中心電極２３との間には電圧を印加するための直流電圧源２７が設けられる。
【００１４】
さてシリンダ２２と中心電極２３の間に電圧を印加し、図示のように気中浮遊粒子を加える。こうすれば外周部に供給される排出ダクト１５からの気中浮遊粒子は電界によって中心電極に近づき、所定の電気移動度を有する粒子のみがギャップから排出ダクト２５に吸引されることとなる。このようにして所定の電気移動度を有するもののみが検出される。電気移動度はその粒子の電荷と粒径との比によって決定される。従って加えられた微粒子が単一荷電粒子であれば、分級によってほぼ同一径の粒子のみを抽出することができる。
【００１５】
これまでの研究によれば、軟Ｘ線荷電装置を用いた気中浮遊粒子の荷電は、拡散両極／単極荷電理論によって説明することができる。この両極拡散荷電の基本式は、以下の式（１）〜（３）のように表現できる。
【００１６】
【数１】
2005230651.tif 000003
ｎｉｏｎ＋：正イオン濃度（ions／ｍ３）
ｎｉｏｎ−：負イオン濃度（ions／ｍ３）
ｎｐ：ｐ個帯電粒子濃度（個／ｍ３）
ｎｐ+1：（ｐ＋１）個帯電粒子濃度（個／ｍ３）
ｎｐ−１：（ｐ−１）個帯電粒子濃度（個／ｍ３）
βＰ＋：Ｐ個帯電粒子と正イオンとの結合係数
βＰ−：Ｐ個帯電粒子と負イオンとの結合係数
βＰ＋１−：（Ｐ＋１）個帯電粒子と負イオンとの結合係数
βＰ−１＋：（Ｐ−１）個帯電粒子と正イオンとの結合係数
α：再結合係数（1.6×10−１２（ｍ３／ｓ））
Ｓ：両極イオン生成速度
【００１７】
上述した式（１）は正イオン濃度の時間変化、式（２）は負イオン濃度の時間変化を示している。これらの式において、右辺の第１項は両極イオンの再結合による損失速度、第２項は粒子との衝突による損失速度、第３項は軟Ｘ線フォトイオナイザによる生成速度を示している。又式（３）はＰ個帯電粒子濃度の時間変化を表しており、右辺の各項はイオンとの衝突によるＰ個帯電粒子の発生又は損失速度を示している。尚計算において正負イオンの質量として夫々130amu、100amu（amu：原子質量単位）を用いた。又正イオン電気移動度として1.1×10−４（ｍ２／（Ｖ・ｓ））、負イオン電気移動度として1.3×10−４（ｍ２／（Ｖ・ｓ））を用いた。
【００１８】
これらの式に基づいて、全粒子濃度ｎｃ、イオン濃度ｎion、荷電時間ｔｒを変化させた場合に、ある粒径ＤＰに対する単一荷電粒子濃度をｎ１、粒径ＤＰに対する２重帯電粒子濃度をｎ２、粒径ＤＰに対する全粒子濃度をｎＴとしたときの、ｎ１／ｎＴ，ｎ２／ｎＴの計算結果を図２，図３に示す。図２（ａ）はチャンバーに導入される全粒子の濃度ｎｃを1010個／ｍ3、荷電時間ｔｒを1.0秒に固定した場合に、軟Ｘ線フォトイオナイザの出力レベルをイオン濃度ｎｉｏｎで示したときに1012ions／ｍ3〜109個／ｍ3に変化させたときの、粒径ＤＰ（μｍ）に対する全粒子濃度ｎＴに対する単一荷電及び２重帯電粒子の濃度比を示すグラフである。又図２（ｂ）は軟Ｘ線フォトイオナイザの出力レベルをイオン濃度で示して1010 ions／ｍ3とし、荷電時間ｔｒを1.0秒に固定した場合に、チャンバーに供給される全粒子濃度ｎｃを10８〜10１１個／ｍ3に変化させた場合における粒径Ｄｐ（μｍ）に対する濃度比ｎ１／ｎＴ及びｎ２／ｎＴを示すグラフである。更に図３はフォトイオナイザの出力レベルをイオン濃度で1010 ions／ｍ3とし、チャンバーに供給される粒子濃度ｎｃを10１０個／ｍ3に固定した場合に、荷電時間ｔｒを0.1〜10秒に変化させたときの粒径ＤＰ（μｍ）に対する濃度比を示すグラフである。正イオン濃度は負イオン濃度と同じであると仮定している。ほとんどの帯電粒子は粒子濃度よりも高くないイオン濃度で又比較的短い荷電時間で単一に荷電されていると考えられる。従ってイオン濃度又は荷電時間が減少するに従ってより単分散性の良い粒子を得ることができる。しかしイオン濃度が低すぎるか荷電時間が短すぎる場合には、単一荷電粒子濃度ｎ１も又低くなる。従って適切な濃度ｎ１を得るために、２個帯電粒子との割合（ｎ２／ｎ１）を全ての粒径範囲において５％以下となるように固定した。（σｇは約1.12）軟Ｘ線荷電装置を用いてイオン発生数を調整することによって、0.1〜1.0μｍの粒径範囲での単分散粒子の発生をより容易に実現することができる。
【００１９】
この装置を用いてチャンバー１１の導入ダクト１４と排出ダクト１５とを閉じ、電圧を荷電装置の上下の電極１１ａ，１１ｂ間に印加した。この場合に電界によってチャンバー１１内に生じるイオン電流を電流計１３によって測定した。両極イオンの個数濃度ｎionは以下の式（４）によって算出することができる。
【００２０】
【数２】
2005230651.tif 000004
Ｉ０：荷電装置内の飽和電流
ｅ：電気素量（＝1.6021×10−１９Ｃ）
Ｖ：荷電装置の容積（＝1.64×10−4ｍ2）
図４はこのときの印加電流に対するイオン電流の変化を示すグラフである。曲線Ａ１はフォトイオナイザ１６を最大出力、即ち電流値200.0μＡ、印加電圧10.00ｋＶで動作させたときの印加電圧に対するイオン電流を示すグラフ、曲線Ａ２は電流200.0μＡ、印加電圧5.00ｋＶのときのイオン電流、曲線Ａ３は電流100.0μＡ、印加電圧10.00ｋＶのときのイオン電流を示すグラフである。
【００２１】
さて図４に示すように夫々の場合について飽和電流Ｉｏが求まると、両極イオン濃度が算出できる。式（４）によって予想される両極イオン濃度ｎionを図５に示す。軟Ｘ線の駆動レベルが100.0μＡ、10.0ｋＶ以下で示した電流0.1ｐＡは最大ノイズ電流であり、ａはこれ以下の飽和電流であることを示す。即ち飽和電流Ｉｏの測定限界となるため、正確なイオン濃度は測定できていないが、電流値と電圧値に対応してイオン濃度が変化しているものと考えられる。このようにフォトイオナイザ１６の駆動レベルを変化させることによって軟Ｘ線の出力を変化させ、荷電装置のイオン個数濃度を希望する値に容易に調整することができる。
【００２２】
次に図６（ａ），（ｂ）は夫々0.207μｍ、0.791μｍのＰＳＬ粒子について、軟Ｘ線フォトイオナイザ荷電装置の出力レベルを変化させた場合の帯電状態を示している。この図では、フォトイオナイザの出力が最大値のときに、荷電粒子が１価荷電粒子濃度数を１としたときの相対的な濃度を示している。フォトイオナイザ最大の出力レベルでは、曲線Ｂ１に示すように２つの電子が帯電した粒子濃度が約0.45、３つの電子が帯電した粒子濃度が約0.1となっている。これに対して軟Ｘ線フォトイオナイザ荷電装置の出力レベルを、例えば電流値30.0μＡ、電圧値3.20ｋＶに低下させたときには、曲線Ｂ２に示すように、単一荷電と多重荷電の粒子濃度の比は小さくなり、ほぼ単一荷電粒子のみが得られることが示されている。又軟Ｘ線フォトイオナイザ荷電装置の電流値を30.0μＡ、電圧値3.0ｋＶに低下させたときには、曲線Ｂ３に示すように単一荷電粒子のみが得られることが示されている。又図６（ｂ）についても粒径が異なるが、曲線Ｃ１〜Ｃ３に示されるように前述したものと同一の傾向が得られている。このように軟Ｘ線出力が減少すると、多重荷電粒子の割合が急速に減少し、適切な出力条件下においてほとんど単一の帯電粒子を得ることができる。
【００２３】
図７（ａ）はＰＳＬの粒子を用いた場合に粒径に対する２重荷電粒子濃度と単一荷電粒子濃度の比ｎ２／ｎ１を示すグラフであり、図７（ｂ）は粒径に対する全粒子濃度（ｎＴ）と単一荷電粒子濃度（ｎ１）の比を示すグラフである。破線は両極平衡状態に対して式（１）〜（３）を用いて計算した理論値を示す。軟Ｘ線の出力が最大値の場合、軟Ｘ線は気中浮遊粒子を安定な帯電分布状態に導くことを示している。又２重帯電粒子の割合は図７（ａ）に示すように粒径の増加と共に増大し、イオン濃度には関与しない。30.0μＡ、3.0ｋＶの場合の軟Ｘ線において0.5μｍ以下の粒径範囲において単一荷電粒子を容易に得ることができる。特に0.1〜0.2μmの粒径範囲では、単一荷電粒子に対する多重荷電粒子の割合を１〜２％と極めて低くすることができ、非常に高い単分散性の粒子が得られる。但しこの場合には荷電粒子自体の割合ｎ１／ｎＴは２〜３％と図７（ｂ）に示すように低くなる。そしてＸ線出力を少し上昇させ、例えば45μＡ、3.0ｋＶとすると、２重帯電粒子の割合を５％に保持しながらより高い濃度の単一帯電粒子を得ることができる。
【００２４】
これより大きい粒径の粒子の場合には、２重帯電粒子を取り除くために低いイオン濃度条件が必要である。例えば0.603μｍの粒子及び0.791μｍの粒子では、図７（ａ）に示すようにｎ２／ｎ１を約５％とするために、低いイオン濃度15μＡ、3.0ｋＶとする必要がある。この場合でも1.008μｍの粒子では無視できない量の２重帯電粒子の割合が残存している。従ってこの実施の形態においては、軟Ｘ線の出力レベルを下げることによって0.1〜1.0μｍの範囲の粒子について、単分散性の粒子を発生させることができる。
【００２５】
尚この実施の形態では、単一荷電粒子に対する２重荷電粒子の比を５％以下となるようにフォトイオナイザの出力を変化させるようにしているが、この値に制限されるものではない。例えば更に２重荷電粒子の比を少なくするためには、フォトイオナイザの出力を下げることが必要となる。又より高い２重荷電粒子の比を許容する場合には、フォトイオナイザの出力を大きくすることができ、発生する粒子数を多くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は0.1〜1.0μｍの粒径範囲において単分散の標準粒子を発生させることができる。従ってこの分級装置を用いて雲の核形成やガスと、気中浮遊粒子との反応に関する研究等、気中浮遊粒子の研究、その他の用途に本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）は本発明実施の形態による単分散気中浮遊粒子分級装置の全体構成を示す図、（ｂ）は微分型電気移動度分析器の構成を示す図である。
【図２】本発明の基本式を用いて種々の条件下で粒径に対する単一荷電及び２重荷電粒子濃度の全粒子濃度の比を示すグラフである。
【図３】本発明の基本式を用いてイオン濃度、粒子濃度を一定とした条件下で粒径に対する単一荷電及び２重荷電粒子濃度の全粒子濃度の比を示すグラフである。
【図４】フォトイオナイザの出力を変化させたときのチャンバー内の印加電圧とイオン電流との関係を示すグラフである。
【図５】Ｘ線出力と飽和電流及びイオン濃度の関係を示す図である。
【図６】異なった粒径に対する電気移動度と粒子の濃度を示すグラフである。
【図７】（ａ）はＸ線を発生させるフォトイオナイザの出力を変化したときの単一荷電粒子と２重荷電粒子との濃度比を示すグラフ、（ｂ）は全粒子濃度に対する単一荷電粒子の濃度比を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１１  チャンバー
１２  直流電圧源
１３  電流計
１４  導入ダクト
１５  排出ダクト
１６  フォトイオナイザ
１７  コントローラ
２１  微分型電気移動度分析器（ＤＭＡ）
【図１】
2005230651.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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